(57)【要約】  燃料電池の出力を適切に制御する。要求発電量算出部８１は、トラクションモータ７に供給する電力量や、補機装置に供給する電力量、バッテリ４の充放電に合わせてバッテリ４やトラクションモータ７に供給する電力量を算出し、加算することで要求発電量を算出する。損失電力量算出部８２は、要求発電量と、ＦＣコンバータ３における昇圧比、出力電圧、温度とに基づいて損失電力量マップを参照することで損失電力量を算出する。損失電力量加算部８３は、要求発電量に損失電力量を加算することで要求発電量を補正する。発電要求部８４は、補正後の要求発電量で発電するように、燃料電池２に発電要求指令を出力する。
2011021263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、
前記燃料電池および／または前記蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、
前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、
前記燃料電池に対して要求する要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
前記電圧変換部において失われる損失電力量を算出する損失電力量算出手段と、を備え、
前記要求発電量算出手段は、前記要求発電量を算出する際に、前記損失電力量分を補足することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記要求発電量算出手段は、前記要求発電量に含まれる他の発電量に前記損失電力量を付加することで、当該損失電力量分を補足することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記損失電力量算出手段は、前記電圧変換部に入力または前記電圧変換部から出力される電力量と、少なくとも、前記電圧変換部における昇圧比、前記電圧変換部の出力電圧、前記電圧変換部の温度のうちのいずれか一のパラメタとを用いて前記損失電力量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記損失電力量算出手段は、前記電圧変換部に入力される電力量と、前記電圧変換部から出力される電力量とを用いて前記損失電力量を算出することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電力消費装置には、主動力源となるモータと、前記燃料電池を作動させるために必要な補機装置とが含まれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、燃料電池の出力電圧を昇圧するＦＣコンバータを備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、ＦＣコンバータへの入力電流が目標電流になるようにＦＣコンバータをフィードバック制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、モータの目標電力に基づいて目標電流を算出しているが、燃料電池から出力される電力は、モータ以外でも消費され得る。したがって、モータ以外での消費分も考慮して燃料電池の出力を制御しなければ、モータに供給される電力が要求よりも減少してしまうことになる。そして、この減少の度合いによっては、例えば、モータのトルクが目標よりも抑制されてドラビリが悪化するおそれや、バッテリからの放電量が目標よりも増加して過放電を招くおそれがある。【０００５】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池の出力を適切に制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、燃料電池および／または蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、燃料電池に対して要求する要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、電圧変換部において失われる損失電力量を算出する損失電力量算出手段と、を備え、上記要求発電量算出手段は、要求発電量を算出する際に、損失電力量分を補足することを特徴とする。【０００７】
この発明によれば、燃料電池に要求する要求発電量を算出する際に、電圧変換部において失われる損失電力量を算出して要求発電量に加えることが可能となる。これにより、電圧変換部において失われる損失電力量を加味した要求発電量に従って燃料電池に発電するように要求することが可能となるため、電力消費装置に供給される電力が要求よりも減少する事態を極力抑制することが可能となる。【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、上記要求発電量算出手段は、要求発電量に含まれる他の発電量に損失電力量を付加することで、当該損失電力量分を補足することとしてもよい。【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、上記損失電力量算出手段は、電圧変換部に入力または電圧変換部から出力される電力量と、少なくとも、電圧変換部における昇圧比、電圧変換部の出力電圧、電圧変換部の温度のうちのいずれか一のパラメタとを用いて損失電力量を算出することとしてもよい。また、上記損失電力量算出手段は、電圧変換部に入力される電力量と、電圧変換部から出力される電力量とを用いて損失電力量を算出することとしてもよい。【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、上記電力消費装置には、主動力源となるモータと、燃料電池を作動させるために必要な補機装置とが含まれることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の出力を適切に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】損失電力量マップの具体例を示す図である。
【図３】実施形態におけるＦＣコンバータ出力制限処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。
【００１４】
まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。
【００１５】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（電圧変換部、以下「ＦＣコンバータ」という。）と、二次電池としてのバッテリ４（蓄電部）と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（以下「Ｂａｔコンバータ」という。）と、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）と、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。
【００１６】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの燃料ガス通路に燃料ガスである水素が供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスである酸素が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２の出力側には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶ１と、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡ１とが設けられている。
【００１７】
ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能を有する。このＦＣコンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。ＦＣコンバータ３の出力側には、ＦＣコンバータ３の出力電圧を検出する電圧センサＶ２と、ＦＣコンバータ３の出力電流を検出する電流センサＡ２とが設けられている。ＦＣコンバータ３には、ＦＣコンバータ３の温度を検出する温度センサＴが設けられている。温度センサＴは、例えば、ＦＣコンバータ３を冷却するための冷却水の温度を検出することで、ＦＣコンバータ３の温度を検出することができる。
【００１８】
バッテリ４は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。
【００１９】
Ｂａｔコンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力される直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７側から入力される直流電圧を降圧してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔコンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が行われる。例えば、Ｂａｔコンバータ５は、バッテリ４の充電量が目標となる設定範囲を超えている場合には、バッテリ４から放電させてトラクションインバータ６に出力する。一方、Ｂａｔコンバータ５は、バッテリ４の充電量が目標となる設定範囲を下回っている場合には、燃料電池２の出力電力をバッテリ４に出力してバッテリ４を充電させる。
【００２０】
トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
【００２１】
制御部８は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えばアクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ７等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ７の他に、各種の補機装置も含まれる。補機装置としては、例えば、燃料電池２を作動させるために必要なＦＣ補機装置と、燃料電池２以外の車両に関与する車両補機装置とがある。ＦＣ補機装置には、例えば、コンプレッサ、燃料ポンプ、冷却水ポンプ等のモータが含まれる。車両補機装置には、例えば、変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等のアクチュエータ、乗員空間の空調装置、照明、オーディオ等が含まれる。
【００２２】
制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶや電流センサＡ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００２３】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。以下において、制御部８で実行される各種制御処理のうち、本実施形態に特有の処理であるＦＣ出力制御処理について説明する。
【００２４】
制御部８は、機能的には、例えば、要求発電量算出部８１（要求発電量算出手段）と、損失電力量算出部８２（損失電力量算出手段）と、損失電力量加算部８３（要求発電量算出手段）と、発電要求部８４と、を有する。
【００２５】
要求発電量算出部８１は、燃料電池２に対して要求する発電量（以下、「要求発電量」という。）を算出する。要求発電量としては、例えば、トラクションモータ７に供給する電力量や、ＦＣ補機装置に供給する電力量、車両補機装置に供給する電力量、バッテリ４の充放電に合わせてバッテリ４やトラクションモータ７に供給する電力量等が該当する。要求発電量算出部８１は、これら各種の供給電力量を算出し、それぞれを加算することで、要求発電量を算出する。トラクションモータ７に供給する電力量は、例えば、トラクションモータ７の回転数、アクセル開度、車速等に基づいて算出することができる。
【００２６】
損失電力量算出部８２は、ＦＣコンバータ３において失われる電力量（以下、「損失電力量」という。）を算出する。損失電力量算出部８２は、要求発電量算出部８１によって算出された要求発電量（言い換えると、ＦＣコンバータ３への入力電力量）と、ＦＣコンバータ３の各パラメタとを用いて損失電力量を算出する。パラメタとしては、例えば、ＦＣコンバータ３における昇圧比や、ＦＣコンバータ３の出力電圧、ＦＣコンバータ３の温度等が該当する。ＦＣコンバータ３における昇圧比は、電圧センサＶ２の検出値に対する電圧センサＶ１の検出値の比を求めることで算出できる。ＦＣコンバータ３の出力電圧は、電圧センサＶ２の検出値を求めることで算出できる。ＦＣコンバータ３の温度は、温度センサＴの検出値を求めることで算出できる。
【００２７】
具体的に、損失電力量算出部８２は、ＦＣコンバータ３への入力電力量と上記各パラメタとに基づいて損失電力量マップを参照することで、損失電力量を算出する。図２に例示するように、損失電力量マップは、ＦＣコンバータ３への入力電力量および上記各パラメタと、損失電力量との間の相関関係を示すテーブルである。損失電力量マップは、予め実験等により求められ、メモリに記憶されている。ＦＣコンバータ３への入力電力量および上記各パラメタと、損失電力量との間には、ＦＣコンバータ３への入力電力量や各パラメタ値が大きくなる程、損失電力量が大きくなるという相関関係がある。
【００２８】
なお、上記各パラメタは、全てのパラメタを用いる必要はなく、何れか一のパラメタを用いることとしてもよい。また、パラメタは上記各パラメタには限定されず、ＦＣコンバータ３への入力電力量に応じて損失電力量を算定可能なパラメタであれば、他のパラメタを用いることとしてもよい。
【００２９】
また、ＦＣコンバータ３からの出力電力量とＦＣコンバータ３の各パラメタとに基づいて下記損失電力量マップを参照することで、損失電力量を算出することとしてもよい。この場合の損失電力量マップは、ＦＣコンバータ３からの出力電力量および上記各パラメタと、損失電力量との間の相関関係を示すテーブルとなる。
【００３０】
また、損失電力量マップを参照することなく、ＦＣコンバータ３の出力電力量から、ＦＣコンバータ３への入力電力量を減算することで、損失電力量を算出することとしてもよい。ＦＣコンバータ３の出力電力量は、電圧センサＶ２の検出値と電流センサＡ２の検出値とを用いて算出することができる。ＦＣコンバータ３への入力電力量は、電圧センサＶ１の検出値と電流センサＡ１の検出値とを用いて算出することができる。
【００３１】
図１に示す損失電力量加算部８３は、要求発電量算出部８１によって算出された要求発電量に、損失電力量算出部８２によって算出された損失電力量分を加算することで、要求発電量を補正する。
【００３２】
発電要求部８４は、損失電力量加算部８３によって補正された後の要求発電量で発電するように、燃料電池２に対して発電要求指令を出力する。
【００３３】
次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態におけるＦＣ出力制御処理の流れについて説明する。このＦＣ出力制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。
【００３４】
最初に、要求発電量算出部８１は、各種の供給電力量を加算することにより燃料電池２への要求発電量を算出する（ステップＳ１０１）。
【００３５】
続いて、損失電力量算出部８２は、上記ステップＳ１０１で算出された要求発電量と各パラメタとに基づいて損失電力量マップを参照することによりＦＣコンバータ３での損失電力量を算出する（ステップＳ１０２）。
【００３６】
続いて、損失電力量加算部８３は、上記ステップＳ１０１で算出された要求発電量に、上記ステップＳ１０２で算出された損失電力量を加算する（ステップＳ１０３）。
【００３７】
続いて、発電要求部８４は、上記ステップＳ１０３で算出された要求発電量で発電するように、燃料電池に発電要求指令を出力する（ステップＳ１０４）。
【００３８】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２に要求する要求発電量を算出する際に、ＦＣコンバータ３において失われる損失電力量を算出して要求発電量に加算することができる。これにより、ＦＣコンバータ３において失われる損失電力量を加味した要求発電量に従って燃料電池２に発電するように要求することができる。したがって、トラクションモータ７に供給される電力が要求よりも減少する事態を極力抑制することができる。それゆえに、燃料電池の出力を適切に制御することが可能となる。
【００３９】
なお、上述した実施形態では、要求発電量算出部８１で算出した要求発電量に、損失電力量算出部８２で算出した損失電力量を加算しているが、要求発電量を算出する手法はこれに限定されない。例えば、要求発電量算出部８１が、各種の供給電力量を算出するときに併せて損失電力量を算出し、各種の供給電力量を加算して要求発電量を算出するときに併せて損失電力量も加算することとしてもよい。この場合には、損失電力量算出部８２の上述した各機能を、要求発電量算出部８１の機能に含ませることとすればよい。つまり、要求発電量算出部８１が要求発電量を算出する際に損失電力量分を補足することができればよい。
【００４０】
また、上述した実施形態では、ＦＣコンバータ３での損失電力量を用いて要求発電量を補正しているが、要求発電量を補正する手法はこれに限定されない。例えば、ＦＣコンバータ３の効率を算出し、要求発電量を効率で除算することで要求発電量を補正することとしてもよい。ＦＣコンバータ３の効率は、要求発電量算出部８１によって算出された要求発電量（ＦＣコンバータ３への入力電力量）と上記各パラメタとに基づいて効率マップを参照することで、効率を算出する。効率マップは、ＦＣコンバータ３への入力電力量および上記各パラメタと、効率との間の相関関係を示すテーブルであり、予め実験等により求められ、メモリに記憶されている。ＦＣコンバータ３の効率は、ＦＣコンバータ３への入力電力量に対するＦＣコンバータ３の出力電力量の割合を求めることで算出できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の出力を適切に制御することに適している。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、８１…要求発電量算出部、８２…損失電力量算出部、８３…損失電力量加算部、８４…発電要求部、Ｖ１，Ｖ２…電圧センサ、Ａ１，Ａ２…電流センサ、Ｔ…温度センサ。
【図１】
2011021263.tif 000003
【図２】
2011021263.tif 000004
【図３】
2011021263.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月17日(2010.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、
前記燃料電池および／または前記蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、
前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、
前記燃料電池に対して要求する要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
前記電圧変換部に入力または前記電圧変換部から出力される電力量と、前記電圧変換部の温度とを用いて、前記電圧変換部において失われる損失電力量を算出する損失電力量算出手段と、を備え、
前記要求発電量算出手段は、前記要求発電量を算出する際に、前記損失電力量分を補足することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記要求発電量算出手段は、前記要求発電量に含まれる他の発電量に前記損失電力量を付加することで、当該損失電力量分を補足することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電力消費装置には、主動力源となるモータと、前記燃料電池を作動させるために必要な補機装置とが含まれることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2011021263.tif 000006
2011021263.tif 000007
2011021263.tif 000008
2011021263.tif 000009